文章导读

可充电水系锌电池因高安全性和高功率特性，被视为大规模储能的重要候选体系，但其锌金属负极在超快充条件下面临严重界面失稳。Zn²⁺传输不均、副反应和界面机械形变失配相互耦合，易诱发枝晶生长、析氢、腐蚀及短路失效。本文提出“界面机械自适应性”是稳定极端电流密度下锌负极的关键，并利用静电纺丝技术构筑蜘蛛网状丁腈橡胶(NBR)人工界面，实现 Zn²⁺均匀传输、自由水阻隔和界面形变缓冲。基于该策略，Zn||Zn 对称电池稳定循环超过6000 h，Zn||V₂O₅ 全电池实现秒级超快充，并在 50A g^-1下稳定循环20000次。

关键词：水系锌电池；锌负极保护；自适应界面；超快充；枝晶抑制

Citation：Shuo Zhao, Safu Pu, Yangming Zhang, Zhen Liu, Ruiyong Chen, Zhengyin Yao, Xiang Yao, Dongbai Sun, Peng Zhang. A mechanically adaptive spider-web-like interphase enables second-level ultrafast and durable zinc metal batteries[J]. Materials Futures, 2026, 5(4): 045101. DOI: 10.1088/2752-5724/ae7b66

文章亮点

1.构筑蜘蛛网状静电纺丝丁腈橡胶（NBR）人工界面，实现离子传输调控、界面化学调控与机械缓冲协同作用；

2.实现Zn||Zn对称电池超过6000 h稳定循环，并支持秒级超快充；

3.Zn||V₂O₅全电池在50 A g^-1下稳定循环20000次，为高倍率金属基储能体系提供新的界面设计策略。

图1. 超快充条件下锌金属负极界面失稳机制及机械自适应橡胶界面调控策略。

研究背景

可充电水系锌基电池（AZBs）因具备空气环境可加工、高体积容量和高安全性，被认为是大规模储能、快速响应储能及电网调峰的重要候选体系。然而，在高电流密度和超快充条件下，锌金属负极仍面临严重界面失稳：Zn²⁺传输不均、电场局域增强和界面体积变化相互耦合，诱发枝晶生长、析氢和腐蚀，最终导致极化升高、效率衰减甚至短路。现有无机保护层易开裂，传统聚合物膜又难以兼顾快速离子传输与机械柔顺性。针对这一瓶颈，作者利用静电纺丝技术构建蜘蛛网状NBR人工界面，通过连续离子通道、界面化学调控和机械自适应协同作用，实现锌负极在超快充条件下的稳定运行。

本文要点

要点1. 机械自适应锌界面的设计思路与构筑

如图1所示，超快充条件下锌金属负极失效源于Zn²⁺通量分布不均、电场局部增强及机械变形无法及时释放等界面失稳因素的耦合作用。为此，作者提出构筑兼具离子亲和性、机械自适应性和连续贯通结构的人工界面，实现离子传输、电场分布及界面应力的协同调控。基于该设计理念，通过静电纺丝在锌表面构筑蜘蛛网状NBR界面（图2a），形成高度互联的纳米纤维网络骨架（图2b），兼具较低弹性模量和优异延展性（图2c），可有效缓冲沉积/剥离过程中的体积变化。同时，NBR界面具有选择性润湿性和较强的Zn²⁺亲和能力（图2d–f），能够抑制副反应并优化Zn²⁺ 传输；SAXS分析进一步证实了Zn引入后界面微观结构的演变（图2g、h）。这些结构、力学和化学特性共同赋予NBR界面优异的机械自适应能力，为实现超快充条件下稳定锌沉积奠定了基础。

图2. 静电纺丝 NBR 界面的结构、力学与化学表征。a.自支撑 NBR 膜实物照片；b.NBR 纳米纤维网络的 SEM 图像；c.NBR 界面的拉伸应力–应变曲线；d.裸 Zn 和 NBR@Zn 表面对电解液及水的接触角测试；e. NBR 分子链中腈基（–C≡N）的静电势分布计算；(f) Zn²⁺与腈基及水分子的 DFT 结合能计算；(g,h) 引入 Zn(OTf)₂ 前后 NBR 界面的 SAXS 谱图。

要点2. NBR人工界面对界面反应动力学及锌沉积行为的调控作用

为揭示NBR界面对锌沉积行为的调控机制，作者系统研究了其界面动力学特性。Arrhenius分析表明，NBR修饰界面显著降低了Zn²⁺脱溶剂化及界面传输活化能（图3a），Tafel测试进一步证明其能够有效抑制界面腐蚀（图3b）。计时电流测试显示，裸锌呈现扩散控制的三维沉积，而NBR@Zn快速达到稳定电流平台，实现表面受限的均匀沉积（图3c）。原位光学显微镜观察发现，在10 mA cm^-2条件下裸锌表面快速形成枝晶，而NBR界面下锌沉积均匀致密，无明显枝晶生成（图3d）。同时，原位pH监测表明NBR界面可有效抑制析氢副反应（图3e）。有限元模拟进一步显示，NBR界面能够均匀分布界面电流密度并维持平缓的Zn²⁺浓度梯度（图3f、g），实现Zn²⁺传输、电荷转移动力学及界面机械变形的协同调控，从而促进稳定的锌沉积。

图3. NBR 界面对界面动力学及锌沉积行为的调控：a.Zn²⁺界面传输活化能的 Arrhenius 曲线；b.裸Zn和NBR@Zn的Tafel 曲线；c.裸Zn和 NBR@Zn 的计时电流响应曲线；d.10 mA cm^-2 下 Zn 沉积过程的原位光学显微镜图像；e.Zn 沉积/剥离过程中的原位 pH 变化曲线；f.Zn 表面电流密度分布模拟结果；g.Zn负极界面附近 Zn²⁺浓度分布模拟结果。

要点3. NBR人工界面赋予锌负极优异的界面稳定性及长期循环性能

为评估NBR界面对锌负极长期稳定性的影响，作者采用Zn||Zn对称电池进行了系统测试。库仑效率测试表明，NBR@Zn能够有效抑制副反应和“死锌”形成，保持稳定的循环效率（图4a）。时间分辨电化学阻抗谱（EIS）及弛豫时间分布（DRT）分析显示，NBR界面在长期循环过程中始终维持稳定的界面传输和电荷转移动力学（图4b、c）。在1 mA cm^-2（1 mAh cm^-2）条件下，NBR@Zn实现超过6000 h稳定循环，而裸锌则因极化增大和短路提前失效（图4d）；即使在20 mA cm^-2高电流密度下，NBR@Zn仍保持平稳可逆的电压响应（图4f），并在1–50 mA cm^-2宽电流密度范围内表现出优异的倍率性能（图4g）。循环后的激光共聚焦显微镜结果进一步证实，NBR界面可有效维持锌表面平整，抑制枝晶和不可逆损伤累积（图4e），综合性能优于已报道的Zn||Zn对称电池体系（图4h）。

图4.NBR人工界面赋予Zn||Zn对称电池优异的长期循环稳定性：a.Zn沉积/剥离循环过程中的库仑效率变化；b,c.裸 Zn和NBR@Zn电极的时间分辨EIS及DRT分析结果；d. 1 mA cm^-2、1 mAh cm^-2条件下的长期循环性能；e. 循环后的激光共聚焦显微镜图像；f. 20 mA cm^-2条件下的长期循环性能；g. 1-50 mA cm^-2电流密度范围内的倍率性能；h. 与已报道Zn||Zn对称电池性能的对比结果。

要点4. 机械稳定化锌负极界面赋予Zn||V₂O₅全电池优异的电化学性能

真正的界面设计，最终要经得起全电池检验。作者以 V₂O₅为正极组装 Zn||V₂O₅全电池，结果显示，NBR@Zn 电池具有更清晰的氧化还原峰和更快的反应动力学（图5a,b），较高的赝电容贡献也为超快充提供了动力学基础（图5c）。在静置24 h后，电池仍能保持较高电压和容量，说明锌负极副反应被有效抑制（图5d,e）。在 1–50 A g^-1的宽倍率范围内，NBR@Zn||V₂O₅表现出优异的容量输出，并在恢复至1 A g^-1后实现良好容量恢复（图5f）。更重要的是，该电池在50 A g^-1 下稳定循环20000圈，容量保持率达76.8%（图5g），综合性能优于多数已报道水系锌基电池（图5h）。软包电池测试进一步证明，该界面策略具备放大制备和柔性工作潜力（图5i,j）。

图5. 机械稳定化锌负极赋予全电池优异的电化学性能：a. 裸 Zn 和 NBR@Zn 负极组装的Zn||V₂O₅全电池CV曲线；b.NBR@Zn||V₂O₅全电池在不同扫描速率下的CV曲线；c.不同扫描速率下的电容贡献比例分析；d,e.静置24 h后全电池的自放电行为；f. 裸 Zn||V₂O₅和 NBR@Zn||V₂O₅全电池在 1–50 A g^-1及恢复至1 A g^-1后的倍率恢复性能；g. 50 A g^-1条件下的长期循环稳定性；h. 与代表性水系锌基电池性能的对比；i. 高正极载量软包电池的循环性能；j. 软包电池在弯曲状态下工作的实物照片。

总结与未来展望

本文革新机械自适应人工界面设计理念，通过静电纺丝技术构筑蜘蛛网状NBR纳米纤维网络，实现 Zn²⁺均匀传输、自由水阻隔和界面应力缓冲的协同调控，有效抑制枝晶生长与副反应。在该界面保护下，Zn||Zn对称电池可稳定循环超过6000 h，Zn||V₂O₅全电池在50 A g^-1下实现20000次稳定循环，展现出优异的超快充和高功率应用潜力。该工作强调界面机械自适应性在金属负极稳定化中的关键作用，也为锂、钠等金属基储能体系的人工界面设计提供了新思路。

作者简介

赵烁

中山大学在读博士，师从张鹏教授，主要从事金属电池负极材料及其界面改性研究。以第一作者在 Adv. Sci.、Chem. Eng. J.、Materials Futures 等期刊发表论文 5 篇，申请国家发明专利 3 项。曾获研究生国家奖学金、省级优秀毕业生、中山大学一等奖学金等荣誉，并获得第十二届“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛国家级铜奖、河南省特等奖，中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛江苏省三等奖等奖项。

张鹏

中山大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。长期致力于聚合物基能源存储与转换材料，特别是高分子电解质、电极/电解质界面工程、固态电池等领域的研究。在Angew. Chem. Int. Ed.、NPJ  Flexible Electronics、Adv. Sci.等国际知名期刊发表论文多篇。课题组聚焦于通过分子设计、微结构调控及同步辐射多技术表征，解决二次电池中的离子传输、界面稳定及安全性等核心问题。

支持单位：